پیشرانش بادبان نوری می‌تواند سفرهای بین‌ستاره‌ای با سرعت‌هایی که قبلاً تصور نمی‌شد را ممکن سازد
سفرهای بین‌ستاره‌ای برای مدت طولانی یک رویا بوده، اما رسیدن به ستاره‌ها بسیار دشوار است. طرحی جدید جامعه فضایی را به تحقق این رویا نزدیکتر می‌کند.
ابتکار Breakthrough Starshot که توسط فیزیکدان نظری استیون هاوکینگ و دانشمند یوری میلر پشتیبانی می‌شود، هدف دارد تا فضاپیماهای کوچک را به آلفا قنطورس ، نزدیکترین سیستم ستاره‌ای، ارسال کند.
جالب اینکه، این فضاپیماها از یک روش پیشرفته پیشرانش به نام بادبان نوری استفاده می‌کنند. این نوع بادبان‌های بازتابنده از فشار لیزرها یا نور ستاره‌ها برای حرکت دادن فضاپیماها استفاده می‌کنند.
این بادبان‌های فوق‌العاده نازک می‌توانند به سرعت‌هایی دست یابند که تا کنون تصور نمی‌شد. اما ساخت و آزمایش این بادبان‌ها یک کار پیچیده است.
هری اتواتر از کلتک توضیح داد: “بادبان نوری سریعتر از هر فضاپیمای قبلی حرکت خواهد کرد، با پتانسیل اینکه در نهایت فاصله‌های بین‌ستاره‌ای را برای اکتشاف مستقیم فضاپیما باز کند که اکنون فقط از طریق مشاهده‌های از راه دور قابل دسترسی است.”
تجربه بادبان نوری کوچک
محققان در کلتک، به رهبری اتواتر، سیستمی برای مطالعه مواد بسیار نازک طراحی کرده‌اند که برای ساخت بادبان‌های نوری استفاده خواهند شد.
بادبان نوری کوچک آنها، که از نیترید سیلیکون ساخته شده و فقط ۵۰ نانومتر ضخامت دارد، برای اندازه‌گیری نیروهای اعمال شده توسط لیزرها طراحی شده است. این شامل اندازه‌گیری حرکات فوق‌العاده ظریف بادبان هنگامی است که با پرتوی لیزری ضربه می‌خورد.
این آزمایشات اولین گام مهم برای حرکت توسعه بادبان نوری از نظریه و طراحی به آزمایش عملی و تحلیل مواد محسوب می‌شوند.
اتواتر گفت: “توسعه یک غشاء که در نهایت می‌تواند به عنوان بادبان نوری استفاده شود چالش‌های زیادی دارد. باید در برابر حرارت مقاومت کند، زیر فشار شکل خود را حفظ کند و به طور پایدار بر محور پرتوی لیزری حرکت کند.”
او افزود: “اما پیش از آنکه بتوانیم ساخت چنین بادبانی را آغاز کنیم، باید بفهمیم که مواد چگونه به فشار تابشی از لیزرها واکنش نشان می‌دهند. ما می‌خواستیم بدانیم آیا می‌توانیم نیروی اعمال شده بر یک غشاء را تنها با اندازه‌گیری حرکات آن تعیین کنیم. معلوم شد که می‌توانیم.”
تیم برای شروع تحقیقاتشان، یک بادبان نوری کوچک در داخل یک غشاء بزرگتر ساختند.
آنها سپس یک لیزر آرگون مرئی بر آن تاباندند تا فشار تابشی را از طریق مشاهده حرکت بالا و پایین‌اش اندازه‌گیری کنند.
بستن یک بادبان نوری باعث پیچیده شدن دینامیک آن می‌شود. بادبان مانند یک ترامپولین وقتی که با نور ضربه می‌خورد، به لرزش در می‌آید. این لرزش‌ها عمدتاً توسط حرارت لیزر ایجاد می‌شود که باعث می‌شود جداسازی اثر فشار تابشی دشوار باشد.
واکنش بادبان به لیزر
نوآوری کلیدی استفاده از یک تداخل‌سنج مسیر مشترک است. این ابزار پیشرفته به دانشمندان اجازه می‌دهد تا حرکات کوچک بادبان - تا به اندازه پیکومتر - را اندازه‌گیری کنند در حالی که نویز محیطی را به حداقل می‌رسانند.
آنها یک تداخل‌سنج بسیار حساس را در میکروسکوپ خود قرار دادند و دستگاه را در یک محفظه خلا گذاشتند. این به آنها اجازه داد تا حرکات بسیار کوچک یک بادبان کوچک و همچنین سختی بادبان را وقتی که با لیزر فشار داده می‌شود اندازه‌گیری کنند.
تیم همچنین واکنش بادبان به لیزرها در زوایای مختلف را آزمایش کرد، شبیه‌سازی شرایطی که یک بادبان واقعی در فضا با آن مواجه خواهد شد.
این شبیه‌سازی سناریویی بود که در آن بادبان کاملاً با منبع لیزری هماهنگ نمی‌شد.
آنها متوجه شدند که نیروی اعمال شده بر بادبان کمتر از آن بود که پیش‌بینی شده بود، زمانی که لیزر در زاویه‌ای هدایت می‌شد. پژوهشگران باور دارند که این به این دلیل است که بخشی از پرتوی زاویه‌دار به لبه‌در بادبان برخورد کرده و برخی از نور را پخش می‌کند و نیروی پیش‌برنده را کاهش می‌دهد.
تیم قصد دارد از نانوعلوم و مواد متافیزیکی برای کنترل حرکت جانبی و چرخشی یک بادبان نوری کوچک استفاده کند.
رامون گائو، بخشی از تیم پژوهشی، در خبرنامه مطبوعاتی گفت: “این یک قدم سنگین و مهم است برای مشاهده نیروهای نوری و تکانه‌ها که به یک بادبان نوری شتاب دهنده آزاد اجازه می‌دهد تا بر روی پرتوی لیزر حرکت کند.”
یافته‌ها در ژورنال Nature Photonics. منتشر شده است.
